2022/06/10

静かなオーロラが地球大気を深くまで電離させる

―最先端の観測とシミュレーションで見えた宇宙と大気のつながり―

 

総合研究大学院大学

国立極地研究所

東京大学大学院理学系研究科

大阪大学大学院理学研究科

名古屋大学

日本原子力研究開発機構

 

概要

オーロラは、地球周辺の宇宙空間から大気へと降り込む電子が極域大気の原子や分子に衝突することによって大気が発光する現象です。オーロラを光らせているのは、主に、高度100 km付近まで到達する数keV程度のエネルギーを持った電子ですが、ときには、大気のより深くまで侵入できる数100keV以上の高いエネルギーを持つ電子が降り込んでくることがあります。そのような高いエネルギーを持った電子は、大気との衝突などを通してその組成を変化させ、成層圏オゾンの破壊の要因にもなると考えられています。したがって、高エネルギー電子がいつ、どのように降り込んでくるのかを明らかにすることは、地球大気が、宇宙との関わりを通してどのように影響を受けているのかを正しく知るための重要な手がかりとなるのです。

これまでの研究では、オーロラ爆発や、オーロラ爆発後に現れる脈動オーロラなどの活発なオーロラ活動が見られるときに、高エネルギー電子が大量に降り込むことが知られており、それらが、大気の比較的低い高度(50~80 km)での主な電離源となっていると考えられてきました。一方で、オーロラ爆発が起こる前の静かなオーロラに伴う大気電離は、これまでほとんど注目されていませんでした。

2018年7月24-25日、南極昭和基地の大型大気レーダー「PANSYレーダー」(図)の観測によって、オーロラ爆発の約十分前から、68kmという低高度で大気電離が起きていたことを発見しました。同時に、昭和基地から磁力線を辿った先の宇宙空間に位置していた、「あらせ」衛星によって高エネルギー電子の降り込みが観測されており、その観測データを用いて、電子が大気に入射した際の大気電離を放射線挙動解析コード「PHITS」で見積もりました。その結果は、「PANSYレーダー」による電離高度の観測だけでなく、昭和基地のリオメータによる電離強度の観測データとも整合的で、オーロラ爆発前に数100keVを超える電子が降り込んできたことを定量的に確かめられたといえます。

加えて、オーロラ爆発につながる磁気圏全体の変動を再現できるグローバルシミュレーション「REPPU」を用いて、観測では捉えきれなかった電子降下領域の広がりを推定した結果、東西方向に4000 km、経度にして120度程度まで広がりうることが分かりました。観測から推定される電離の継続時間も考慮すると、オーロラ爆発前の高エネルギー電子降下による大気電離の影響の大きさは、活発なオーロラ活動時の数十%程度になりうることを示唆しています。

このように、最先端のシミュレーションや南極の大型施設、人工衛星による最先端の観測を組み合わせて研究した結果、オーロラ爆発前にも、無視できない大気電離のインパクトがあることが明らかとなりました。

本研究成果は、Journal of Space Weather and Space Climate へ掲載されました。

 

図:南極昭和基地の大型大気レーダー「PANSYレーダー」のアンテナ群。

 

なお、本研究成果には、地球惑星科学専攻の佐藤薫 教授、笠原慧 准教授、桂華邦裕 助教が参加しています。

詳細については、総合研究大学院大学 のホームページをご覧ください。

 

―東京大学大学院理学系研究科・理学部 広報室―